DE2504088C2

DE2504088C2 - Ladungsgekoppelte Anordnung

Info

Publication number: DE2504088C2
Application number: DE2504088A
Authority: DE
Inventors: Leonard Jan Maria Esser; Matthias Johannes Joseph Eindhoven Theunissen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1975-01-31
Publication date: 1984-04-12
Also published as: CA1046638A; NL7401939A; ES434627A1; DE2504088A1; JPS5711152B2; FR2260872A1; US4110777A; JPS50119582A; FR2260872B1; GB1495453A; AU7802875A; CH590561A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Ausdruck »Elektrodensystem« ist hierbei in sehr weitem Sinne aufzufassen, so daß darunter z. B. auch Halbleiterzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die

^4r> durch sperrende PN-Übergänge von der Halbleiterschicht getrennt sind, oder eine piezoelektrische Schicht, mit der elektrische Felder in der Halbleiterschicht gebildet werden können, zu verstehen sind. In den meisten Fällen wird das Elektrodensystem aber

⁵⁽¹ durch eine Anzahl nebeneinanderliegender Elektroden in Form leitender Schichten gebildet, die gegen die Halbleiterschicht durch eine zwischenliegende dünne Isolierschicht aus z. B. Siliciumoxid isoliert sind.

Eine ladungsgekoppelte Anordnung der oben be-

5' schriebenen Art ist in dem deutschen Patent 24 12 699 vorgeschlagen worden. Sie unterscheidet sich insbesondere von den üblicheren ladungsgekoppelten Anordnungen, in denen die Ladungsspeicherung und der Ladungstransport im wesentlichen über die Oberfläche

^b" der Halbleiterschicht (oder des Halbleiterkörpers) stattfinden, darin, daß wenigstens die letzten Bruchteile der Information enthaltenden Ladungspakctc — welche Bruchteile im wesentlichen die Geschwindigkeit dos Ladungstransports bestimmen — im Inneren oder in der

"'"' Masse der Schicht übertragen werden. Dadurch, dall diese Bruchteile in einem verhältnismäßig großen Abstand — d. h. in einem Abstand der mit der Breite der Elektroden vergleichbar ist — von den Elektroden

übertragen werden, kann dieser Transport im wesentlichen unter dem Einfluß elektrischer Felder stattfinden. Die Transportgeschwindigkeit kann dadurch viel größer als in den üblichen ladungsgekoppelten Anordnungen sein, in denen der Ladungstransport der letzten Bruchteile im wesentlichen durch Diffusion erfolgt

Um zu verhindern, daß während des Ladungstransports Majoritätsladungsträger, die zu einem Information bildenden Ladungspaket gehören und von den Elektroden von der Oberfläche zu dem Substrat hin getrieben werden, über den PN-Übergang zwischen der Schicht und dem Substrat fließen, wird beim Betrieb dieser PN-Obsrgang in der Sperrichtung vorgespannt, z. B. in dem Falle, in dem die Halbleiterschicht aus N-leitendem Silizium und das Substrat aus P-leitendem Silizium besteht, wird das Substrat in bezug auf die Halbleiterschicht negativ vorgespannt. Die Dicke der Verarmungs- oder Erschöpfungsschirht, die dabei gebildet wird und sich teilweise in der Halbleiterschicht und teilweise in dem Substrat erstreckt, bestimmt in erheblichem Maße den Leckstrom über den PN-Übergang zwischen der Htflbleiterschicht und dem Substrat. Unter anderem aus diesem Grunde wird ein hochdotiertes oder niederohmigßs Substrat einem niedrig dotierten oder hochohmigei Substrat vorgezogen, weil die Dicke der genannten Verarmungsschicht und damit die Größe des Leckstroms im allgemeinen abnimmt, je nachdem die Dotierung im Substrat zunimmt.

Die Ausdrücke »hochdotiert«, »niederohmig«, »niedrig dotiert« und »hochohmig« sind dabei in relativem Sinne aufzufassen. So ist z. B. unter einem »niederohmigen Substrat« ein Substrat zu verstehen, dessen spezifischer Widerstand viel niedriger als der spezifische Widerstand der Masse der Halbleiterschicht ist.

Die Anwendung eines niederohmigen Substrats weist aber u. a. den Nachteil auf, daß die zu dem gesperrten PN-Übergang zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht gehörige Verarmungsschicht sich bis tief oder wenigstens zu einem großen Teil in der Halbleiterschicht erstreckt. Dies kann zur Folge haben, daß bei einer gegebenen Sperrspannung über dem pn-Übergang zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht der Transport der noch zu übertragenden letzten Bruchteile von Ladungsträgern der Information enthaltenden Ladungspakete in geringerer Entfernung von den Elektroden stattfindet als mit Rücksicht auf die Transportgeschwindigkeit und/oder die Wirtschaftlichkeit des Transports erwünscht wäre.

In den bekannten Ausführungsformen der obenbeschriebenen ladungsgekoppelten Anordnungen werden die zur Isolierung der Halbleiterschicht gegen die Umgebung dienenden Mittel durch Isolierzonen vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat gebildet, die die Halbleiterschicht lateral begrenzen und mit der Schicht einen sperrenden PN-Übergang bilden und sich von der Oberfläche her bis in das Substrat erstrecken. Die Vorspannung an den Isolierzonen, die in dieser Ausführungsform über das Substrat zugeführt werden kann, ist vorzugsweise mindestens derart groß, daß auch an der Oberfläche in der Nähe der Elektroden der pn-Übergang zwischen jeder Isolierzone und der Halbleiterschicht gesperrt bleibt. Dadurch ist es oft notwendig, einen größeren Spannungsunterschied zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht anzulegen als eigentlich mit Rücksicht auf die Transporteigenschaften der Anordnung erwünscht wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ladungsgekoppelte Anordnung der gattungsgemäßen

Art so auszugestalten, daß unter Beibehaltung der günstigen Transporteigenschaften mehr Möglichkeiten oder eine größere Wahl in bezug auf die Dotierungskonzentration des Substrates und/oder die an das Substrat anzulegenden Spannungen geboten werden.

Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß durch das Anbringen einer Pufferschicht zwischen der Halbleiterschicht und dem Substrat in Form einer dünnen hochdotierten Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Halbleiterschicht die Ausdehnung der Verarmungszone zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht und damit der Einfluß der Dotierungskonzentration des Substrats und/oder der Spannung des Substrats auf die Wirkung der Anordnung vorteilhaft Jierabgesetzt werden kann.

In Anwendung dieser Erkenntnis wird die genannte Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Ausdruck »grenzt an« ist dabei derart zu verstehen, daß er nicht nur Ausführungsformen, bei denen die hochdotierte niederohmige vergrabene Zone einen metallurgischen Übergang mit dem Substrat bildet, sondern auch Ausführungsformen einschließt, bei denen die hochdotierte vergrabene Zone in einem derart kleinen Abstand von dem Substrat liegt, daß durch das Anlegen einer geeigneten Spannung an das Substrat die vergrabene Schicht völlig oder größtenteils erschöpft werden kann.

Durch die verhältnismäßig hohe Dotierung der vergrabenen Zone wird erreicht, daß die Erschöpfungszone von dem Substrat her die vergrabene Zone völlig oder größtenteils beansprucht und praktisch nicht weiter als die vergrabene Zone in die Halbleiterschicht eindringt. Dadurch werden unter Beibehaltung der günstigen Transporteigenschaften der ladungsgekoppelten Anordnung die Möglichkeiten zum Wählen der Dotierungskonzentration des Substrats und/oder der an das Substrat anzulegenden Spannungen vorteilhaft erheblich vergrößert.

Wichtige Vorteile können bereits erhalten werden, wenn die Dotierungskonzentration der vergrabenen Zone etwa zehnmal größer als die Dotierungskonzentration des angrenzenden niedrig dotierten Teiles der Halbleiterschicht ist. Eine bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der vergrabenen Zone mindestens etwa gleich dem Hundertfachen der Dotierungskonzentration des angrenzenden niedrig dotierten Teiles der Halbleiterschicht ist, der zwischen der vergrabenen Zone und der einen Seite liegt.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 4 bis 9 angegeben.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. I eine Draufsicht auf einen Teil einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II der Fig. 1 durch die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie W-Hl der Fig. 1 ourch die Anordnung nach Fig. 1,

F i g. 4 einen Schnitt parallel zu der Ladungstransportrichtung durch einen Teil einer dritten Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung,

F i g. 5 einen Schnitt durch eine zweiphasige ladungsgekoppelte A nordnung nach der Erfindung,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Teil einer weiteren zweiphasigen Anordnung nach der Erfindung und

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Teil einer dritten ladungsgekoppelten Anordnung, die als eine Zweiphasenanordnung betrieben werden kann.

F i g. 1 ist eine Draufsicht auf und F i g. 2 und 3 zeigen Querschnitte längs der Linien H-Il bzw. IH-III durch einen Teil einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 1 aus Silizium mit einer an die Oberfläche 2 grenzenden N-leitenden Halbleiterschicht 3 und einem an die Schicht 3 grenzenden p-leitenden Teil 4, der nachstehend als Substrat bezeichnet wird und der einen PN-Übergang 5 mit der Schicht 3 bildet. Das Substrat 4 bildet mit dem PN-Übergang 5 einen Teil von Mitteln zur elektrischen Isolierung der Halbleiterschicht 3 gegen ihre Umgebung. Zu diesen Isoliermitteln gehören weiter die auf der Oberfläche 2 angebrachte Schicht 6 aus Isoliermaterial, z. B. Siliziumoxid, und die P-leitenden Oberflächenzonen oder -gebiete 7, die, wie aus der Draufsicht nach Fig. 1 hervorgeht, die N-Ieitende Schicht 3 völlig umgeben und, gleich wie das Substrat, einen sperrenden Übergang mit der Schicht 3 bilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Zonen 7 von der Oberfläche 2 her bis in das Substrat und können dadurch über das Substrat 4 vorgespannt werden. Unter Umständen ist es aber auch möglich, daß sich die Zonen 7 nur über einen Teil der Dicke der Halbleiterschicht 3 erstrecken, wobei die Isolierung der Schicht 3 weiter dadurch ergänzt werden kann, daß an die Isolierzonen 7 eine genügend große negative Vorspannung angelegt wird.

Die Dicke und die Dotierungskonzentration der Halbleiterschicht — durch die der Ladungstransport stattfindet — sind derart gering gewählt, daß mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Halbleiterschicht 3 eine Verarmungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann. Durch Anwendung einer derartigen dünnen hochohmigen und gegen die Umgebung zu isolierenden Halbleiterschicht 3 kann der Ladungstransport im wesentlichen und kann wenigstens der Transport der letzten Bruchteile der zu übertragenden Ladungspakete über die Masse der Halbleiterschicht 3 stattfinden, wie schematisch in Fig. 2 durch das sich nach rechts verschiebende Ladungspaket 8 angegeben ist.

Diese Ladung bildet Information, die örtlich z. B. über einen elektrischen Eingang, der schematisch durch den Koniakt 9 und die N " -Kontaktzone 10 angegeben ist, in Form von Majoritätsladungsträgern in die Halbleiterschicht 3 eingeführt werden kann. Es sei dabei bemerkt, daß unter dem Ausdruck »Majoritätsladungsträger« in diesem Zusammenhang derjenige Typ von Ladungsträgern zu verstehen ist, dessen Konzentration in thermischem Gleichgewicht und/oder beim Fehlen äußerer elektrischer Felder größer als die Konzentration von Ladungsträgern vom anderen Typ ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem die Schicht 3 N-dotiert ist, bedeutet dies, daß die Informationsverarbeitung in der Schicht 3 mit Hilfe von Elektronen stattfindet.

Die Anordnung enthält weiter einen (schematisch durch den Ausgangskontakt 11 dargestellten) Ausgang und eine N⁺-Kontaktzone 12. in der die Ladungspakete ausgelesen und abgeführt werden können.

Die Halbleiterschicht 2 ist auf einer Seite, und zwar der an der Oberfläche 2 und dem Substrat 4 gegenüberliegenden Seite, mit einem Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht versehen, mit deren Hilfe die Ladung 8 in einer zu der Schicht 3 parallelen Richtung zu den Auslesemitteln (11, 12) transportiert werden kann. Das Elektrodensystem wird durch eine Anzahl von Elektroden 13 in Form leitender Schichten aus einem geeigneten Material, z. B. Aluminium, gebildet, die durch die isolierende Siliziumoxidschicht 6 von der Halbleiterschicht 3 getrennt sind. Die Elektroden 13 können naturgemäß statt aus Aluminium auch aus anderen Materialien, z. B. polykristallinem Silizium, oder aus mit der Halbleiterschicht 3 einen Scho.ttky-Übergang bildenden Metallen hergestellt sein. Auch können die Elektroden aus in die Halbleiterschicht 3 eindiffundierten P-leitenden Oberflächenzonen bestehen. Im letzteren Falle soll die Breite der Elektroden der Breite der Halbleiterschicht derart angepaßt werden, daß die Zonen elektrisch nicht mit den Isolierzonen 7 verbunden sind, sondern daß die Halbleiterschicht 3 über die ganze Breite zwischen den Zonen und den Isolierzonen 7 mit den gegebenen an die Zonen oder Elektroden anzulegenden Taktspannungen erschöpft werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem die Elektroden durch die Oxidschicht 6 von der Halbleiterschicht 3 getrennt sind, können sich aber die Elektroden 13, wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, über die ganze Breite der Schicht 3 bis oberhalb der Isolierzonen 7 erstrecken. In Abhängigkeit davon, ob die Anordnung als eine zwei-, drei- oder vierphasige ladungsgekoppelte Anordnung betrieben wird, können die Elektroden 13 in zwei, drei oder vier Gruppen elektrisch über Taktleitungen zum Anlegen von Taktspannungen an die Elektroden miteinander verbunden werden. Diese Taktleitungen sind in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Auch die Oxidschicht 6 ist in dieser Figur der Übersichtlichkeit halber nicht angegeben.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, ist die Halbleiterschicht 3 mit einer N-leitenden vergrabenen Zone 14 versehen. Diese Zone grenzt an den PN-Übergang 5 zwischen dem Substrat 4 und der Halbleiterschicht 3 und erstreckt sich, von dem PN-Übergang 5 her gesehen, zu der Oberfläche 2 hin nur über einen Teil der Dicke der Halbleiterschicht 3 in der Halbleiterschicht 3. Die vergrabene Zone 14 weist den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der angrenzende Teil 15 auf, der zwischen der vergrabenen Zone 14 und der Oberfläche 2 liegt, und unterscheidet sich von diesem Teil darin, daß die Dotierungskonzentration höher als die dieses angrenzenden Teiles der Halbleiterschicht 3 ist.

Es sei bemerkt, daß die Zone 14 wegen ihrer Lage im Inneren des Halbleiterkörpers 1 nicht wegen der angewandten Technik zum Anbringen dieser Zone als eine vergrabene Zone bezeichnet wird.

Die hochdotierte (oder die in bezug auf den niedrig dotierten Teil 15 hoch dotierte) Zone 14 bildet eine Pufferschicht zwischen der Halbleiterschicht 3 und dem Substrat 4, wodurch die Möglichkeiten zum Wählen u. a. der Dotierungskonzentration des Substrats 4 und/oder der an das Substrat 4 oder über dem PN-Übergang 5 anzulegenden Spannungen erheblich und vorteilhaft vergrößert werden, wie nachstehend noch näher auseinandergesetzt werden wird.

Die Dicke der vergrabenen Zone 14 beträgt etwa 0,5 μηι und die des niedrig dotierten Teiles 15 etwa 5 .um. Die Dotierungskonzentration des niedrig dotierten Teiles 15 beträgt etwa 5 - 10¹⁴ Atome/cm³, was einem

spezifischen Widerstand von etwa 10 Ω · cm entspricht. Die Konzentration der hochdotierten vergrabenen Zone beträgt etwa 5 · 10^lb Atome/cm³, was einem spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ω · cm entspricht.

Die Dicke des P-Ieitenden Substrats ist nicht kritisch und beträgt etwa 250 μιη. Die Dotierungskonzentration des Substrats ist etwa der gleichen Größe wie die Konzentration der vergrabenen Zone 14 und beträgt daher ebenfalls etwa 5 · 10^lb Atome/cm³, was einem spezifischen Widerstand von 0,4 Ω · cm entspricht. Das Substrat 4 ist daher in bezug auf den hochohmigen Teil 15 der Halbleiterschicht 3 sehr hoch dotiert.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird die hochdotierte niederohmige vergrabene Zone 14 durch ein schichtförmiges Gebiet gebildet, das sich über den ganzen PN-Übergang 15 zwischen der Schicht 3 und dem Substrat 4 erstreckt. Die Halbleiterschicht 3 ist dabei als eine epitaktische Schicht angebracht, wobei die hochdotierte vergrabene Zone 14 durch Epitaxie auf dem Substrat niedergeschlagen wird, wonach einfach dadurch, daß die Konzentration an Dotierungsstoffen (z. B. Arsen) herabgesetzt wird, durch den gleichen Epitaxievorgang die niedrig dotierte hochohmige Schicht 15 erhalten wird.

Beim Betrieb wird das Substrat 4 an eine Bezugsspannung, z. B. Erde, gelegt, während an die Halbleiterschicht 3 ζ. B. über den Ausgangskontakt (11, 12) eine Spannung von etwa 25 V angelegt wird. Die Elektroden 13 können elektrisch mit — weher nicht dargestellten — Taktspannungsquellen verbunden werden, wobei das Potential der Elektroden bei einer gegebenen Oxiddicke von etwa 0,1 μιη zwischen 0 und 10 V variieren kann. Ausgehend von dem Zustand, in dem alle Majoritätsladungsträger, also Elektronen, aus der Halbleiterschicht 3 entfernt sind, kann berechnet werden, daß für Elektronen ein Potentialminimum in der erschöpften Halbleiterschicht 3 etwa halbwegs der Dicke der Halbleiterschicht 3 erhalten wird. In diesem Minimum können Ladungspakete in Form von Elektronen über den Eingang (9, 10) transportiert und/oder gespeichert werden. Durch passende Wahl der Taktspannungen an den Elektroden können diese Ladungspakete jeweils von einem Gebiet unter einer Elektrode 13 zu einem Gebiet unter der nächsten Elektrode transportiert werden.

Vorteilhaft kann der Ladungstransport der letzten Bruchteile 8 der Ladungspakete in verhältnismäßig großer Entfernung von den Elektroden 13 stattfinden, trotz der verhältnismäßig hohen Dotierung des Substrats 4. Infolge der verhältnismäßig hohen Dotierungskonzentration der dünnen vergrabenen Zone Ϊ4 ist die zu dem gesperrten PN-Übergang 5 gehörige Verarmungsschicht doch verhältnismäßig schmal, dies unter Berücksichtigung der Spannung über diesem PN-Übergang.· Durch die hohe Dotierungskonzentration des niederohmigen Substrats 4 kann die Dicke des genannten zu dem gesperrten PN-Übergang 5 gehörigen Verarmungsgebietes und damit der Leckstrom über diesen PN-Übergang vorteilhaft beschränkt werden.

Fig.4 zeigt einen dem Querschnitt nach Fig.3 entsprechenden Querschnitt durch einen Teil" einer weiteren ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung. Die entsprechenden Teile der vorangehenden Ausführungsbeispiele sind hier mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet

Das Elektrodensystem weist eine Struktur auf, die ein wenig von der des Elektrodensystems der ladungsgekoppelten Anordnung nach dem vorangehenden Ausführungsbeispiel verschieden ist. Die Elektroden 13a, 13c, 13e usw. sind in die Form von Schichten aus polykristallinem Silizium angebracht, das auf der Siliziumoxidschicht 6 niedergeschlagen ist. Die Elektroden 13fr, 13c/, 13/"usw. werden durch Aluminiumschichten gebildet, aber können naturgemäß auch aus einem anderen geeigneten Material bestehen. Die Elektroden 13ö, 13c/, 13/usw. überlappen die Elektroden 13a, 13c,

lü 13e usw teilweise und sind von diesen Elektroden durch eine zwischenliegende Oxidschicht 21 getrennt. Die Siliziumoxidschicht 21 kann dadurch erhalten werden, daß die Elektroden 13a, 13c, 13e usw. aus polykristallinem Silizium etwas oxidiert werden.

Die Anordnung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiei unterscheidet sich insbesondere darin von den ladungsgekoppelten Anordnungen nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen, daß das verhältnismäßig hochdotierte P-leitende Substrat 4 und die verhältnismäßig hoch dotierte vergrabene N-leitende Zone 14 voneinander durch ein zwischenliegendes Halbleitergebiet 22 mit einer verhältnismäßig niedrigen Dotierungskonzentration getrennt sind.
Durch das Vorhandensein des hochohmigen Zwischengebietes 22 wird der kapazitive Einfluß des Substrats 4 auf den Ladungstransport erheblich herabgesetzt, was für die Transportgeschwindigkeit besonders günstig sein kann.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen der vergrabenen Zone und dem hochdotierten Teil des Substrats praktisch gleich dem Abstand zwischen der hochdotierten vergrabenen Zone 14 und den Elektroden 13. Es stellt sich heraus, daß eine derartige Struktur besonders vorteilhaft ist, dadurch, daß die letzten Bruchteile 8 zu übertragender Elektronen Ladungspakete durch die Halbleiterschicht

3 in einem praktisch gleichen Abstand von dem Substrat

4 wie von den Elektroden 13 transportiert werden können.

«ο Das zwischenliegende verhältnismäßig niedrig dotierte Halbleitergebiet 22. das gegebenenfalls auch den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Schicht 3 aufweisen kann, wird in der Anordnung nach Fig. 5 durch eine p-leitende Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 4 und mit einer niedrigeren Dotierungskonzentration als das Substrat gebildet. Das Gebiet 22 kann, wie die Halbleiterschicht 3, durch Epitaxie von Silizium auf dem Substrat 4 angebracht sein. Die Dicke des Gebietes 22 beträgt etwa 3 μιη, während die Dotierungskonzentrationen etwa 10¹⁴ Atome cm³ beträgt.

Da infolge des hochohmigen Zwischengebietes 22 eine zusätzliche negative Spannung (in der Größenordnung von 10 V) am Substrat erforderlich ist, um die hochdotierte vergrabene Zone 14 zu erschöpfen, ist die Dotierungskonzentration der vergrabenen Zone etwas niedriger als im vorangehenden Ausführungsbeispiel gewählt und beträgt hier etwa 10¹⁶ Atome/cm³. Die Dicke der Zone 14 beträgt wieder etwa 0,5 μιη. Die Dotierungskonzentration und die Dicke des hochohmigen niedrig dotierten Teiles 15 betragen etwa 10¹⁴ Atome/cm³ bzw. 3 μιη und der hochdotierten Oberflächenzone 20, deren Funktion in dem deutschen Patent 24 12 699 der Anmelderin beschrieben ist, etwa

5 · 10¹⁶ Atome/cm³ bzw. 0,3 μιη.

Es sei bemerkt daß der Leckstrom über den PN-Übergang 5 im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwas größer als im vorangehenden Ausführung:sbeispiel sein kann, was auf das Vorhandensein des

hochohmigen Zwischengebietes 22 zurückzuführen ist. Dies braucht aber nicht allzu bedenklich zu sein, weil dieser Leckstrom durch Anwendung des niederohmigen Substrats 4 und der niederohmigen Pufferzone 14 ohnehin schon verhältnismäßig niedrig im Vergleich zu Anordnungen sein kann, in denen ein hochohmiges Substrat verwendet wird. Außerdem kann durch Anwendung des niederohmigen Substrats 4, des hochohmigen Zwischengebietes 22 und der niederohmigen vergrabenen Pufferschicht 14 ein günstiger Kompromiß zwischen den der Anordnung in bezug auf die Leckströme über den PN-Übergang 5 gestellten Anforderungen einerseits und den Anforderungen in bezug auf die Transportgeschwindigkeit andererseits erhalten werden.

Es sei weiter bemerkt, daß beispielsweise die P-leitenden Isolierzonen 7 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine etwas andere Form als die Isolierzonen 7 in den vorangehenden Ausführungsbeispielen aufweisen. Statt bis zu dem Substrat 4 erstrecken sich die Zonen 7 von der Oberfläche 2 her nur über einen Teil der Dicke der Halbleiterschicht 3. Die elektrische Isolierung der Halbleiterschicht 3 kann in diesem Falle dadurch weiter ergänzt werden, daß an dem PN-Übergang 24 zwischen der betreffenden Isolierzone 7 und der Halbleiterschicht 3 eine genügend große Sperrspannung angelegt wird, wodurch der zwischen der vergrabenen Zone 14 und den Isolierzonen liegende Teil 23 der Halbleiterschicht erschöpft wird. Die Halbleiterschicht 3 kann dann völlig durch die Zone 7, die zu dem PN-Übergang 24 gehörige Verarmungsschicht im Gebiet 23 und die angrenzende zu dem PN-Übergang 5 zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht gehörige Verarmungsschicht isoliert werden. Dadurch, daß sich die Isolierzonen 7 nicht bis zu dem Substrat erstrecken, kann die an die Zonen 7 anzulegende Spannung derart gewählt werden, daß Inversion des Leitfähigkeitstyps unter den Elektroden 13 — wobei Löcher über die Isolierzonen in die Halbleiterschicht 3 eingeführt werden könnten — vermieden wird.

F i g. 5 zeigt im Schnitt einen Teil einer vierten ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung.

Diese Anordnung kann als eine sogenannte zweiphasige ladungsgekoppelte Anordnung mit nur zwei Taktspannungsquellen betrieben werden. In der Figur ist dies schematisch durch die zwei Taktleitungen 30 und 31 dargestellt, die leitend mit den Elektroden \3b. 13e, 13/; 13/r bzw. 13c, 13c/, \3g, 13Λ verbunden sind. Ein derartiger Betriebsmodus ist dadurch möglich, daß die N-Ieitende Halbleiterschicht 3 nicht, wie in den vorangehenden A.usführungsbeispielen, mit einer kontinuierlichen hochdotierten vergrabenen Zone 14, sondern mit einer Anzahl vergrabener N-leitender Zonen versehen ist, die, um sie voneinander unterscheiden zu können, mit 14a, 14f>, 14c usw. bezeichnet sind. Die Zonen 14 liegen in einiger Entfernung voneinander und grenzen jeweils an den PN-Übergang 5 zwischen dem P-leitenden Substrat 4 und der N-leitenden Halbleiterschicht 3. Projiziert auf die Oberfläche 2 erstrecken sich die Zonen unter den Elektroden 13£», 13t/, 13/; 13Λ usw.

deich wie die vergrabene Zone 14 in den vorangehenden Ausführungsbeispielen erstrecken sich auch die Zonen 14a, b, c, d usw. im vorliegenden Ausführungsbeispiel von dem PN-Übergang 5 her nur über einen Teil der Dicke der Schicht 3 in der Halbleiterschicht 3. Die Zonen 14a, b, c, usw. weisen den gleichen Leitfähigkeitstyp wie, aber eine höhere Dotierungskonzentration als der angrenzende Teil 15 der Halbleiterschicht 3 auf, der zwischen den vergrabenen Zonen und der Oberfläche 2 liegt.

Die Zonen 14a, b, c. c/usw. bilden örtlich Pufferzonen zwischen dem Substrat 4 und der Halbleiterschicht 3, die dem System eine Asymmetrie und damit eine Transpc rtrichtung erteilen. Um dies zu veranschaulichen, ist in Fig.5 der Vorlauf des — negativen — Potentials im Inneren der Halbleiterschicht 3 — bei gleichen Spannungen an den Elektroden 13 — mit der gestrichelten Linie 32 angegeben. An der Stelle der vergrabenen Zonen 14, die bei vollständiger Erschöpfung der Halbleiterschicht 3 einen größeren Spannungsabfall über dem PN-Übergang 5 herbeiführen, werden Potentialmulder erhalten, in denen Elektronen gespeichert werden können. Zwischen den Zonen 14a, b, cusw. werden Potentialschwellen erhalten. Indem nun z. B. zwischen den Taktleitungen 30 und 31 ein alternierender Spannungsunterschied angelegt wird, können die aus Elektronen bestehenden Ladungspakete von einem unter einer aus polykristallinem Silizium bestehenden Elektrode 13b, 13a, 13/USW. liegenden Speicherraum zu einem nächsten unter einer dieser Elektroden liegenden Speicherraum transportiert werden.

Die vergrabenen Zonen 14 werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Zonen gebildet, die im niederohmigen P-leitenden Substrat durch Diffusion oder Ionenimplantation eines geeigneten Aktivators, z. B. Arsen, angebracht werden, bevor der hochohmige Teil 15 der Halbleiterschicht 3 in Form einer N-leitenden epitaktischen Schicht angebracht wird.

Fig.6 zeigt im Querschnitt eine Abwandlung der in Fig. 5 gezeigten zweiphasigen ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung. Die hochdotierten vergrabenen Zonen 14a, b, c usw. werden dabei nicht,

wie in Fig. 5 durch im Substrat angebrachte Zonen gebildet, sondern sind von dem Substrat durch ein zwischenliegendes hochohmiges Halbleitergebiet getrennt, das etwa die gleiche Dicke und Zusammensetzung wie das hochohmige Halbleitergebiet 22 in dem an

Hand der Fig.4 beschriebenen Ausführungsbeispiel aufweist und das daher mit 22 bezeichnet ist. Durch dieses hochohmige Zwischengebiet 22 kann auf vorteilhafte Weise eine kapazitive Entkopplung zwischen dem Substrat und den in der Halbieiterschicht 3 zu transportierenden Ladungsträgern und damit eine Vergrößerung des Driftfeldes erhalten werden.

Die ladungsgekoppelte Anordnung nach Fi g. 7 kann dadurch hergestellt werden, daß auf dem p-leitenden Substrat 4 zunächst durch Epitaxie das hochohmige P-Ieitende Zwischengebiet angebracht wird. Die Zonen 14.3— 14c/ können dadurch angebracht werden, daß in dem Zwischengebiet 22 die Dotierungskonzentration an der Stelle der Zonen 14a—14c/ erhöht und dann der hochohmige Teil der Halbleiterschicht 3 durch Epitaxie angebracht wird.

In den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 5 und 6 sind die hochdotierten vergrabenen Zonen, auf die Oberfläche 2 gesehen, nur für jede zweite Elektrode in der Schicht 3, d. h. nur unter den Elektroden 136, 13c/, I3i 13Λ usw., angebracht. Die unter diesen Elektroden liegenden Teile der Halbleiterschicht 3 bilden Ladungsspeicherräume. Beim Betrieb ist gewöhnlich nur unter jeder vierten Elektrode Information in Form von Majoritätsladungsträgern vorhanden.

Fig.7 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform der zweiphasigen ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, in der eine sehr große Informationsdichte erhalten werden kann. Die in dieser Figur dargestellte

Anordnung unterscheidet sich darin von der Anordnung nach dem vorangehenden Ausführungsbeispiel, daß, auf die Oberfläche gesehen, unter jeder Elektrode 13a— 13A-eine hochdotierte N-Ieitende vergrabene Zone 14a — 14A in der Halbleiterschicht 3 vorhanden ist. Wie weiter aus Fig. 7 hervorgeht, erstrecken sich die Elektroden 13a— 13λ- auf der linken Seite über den Rand der unter den Elektroden liegenden vergrabenen Zonen 14a— 14A- hinweg. Dadurch werden in der Halbleiterschicht 3 schematisch durch die gestrichelte Linie 32 dargestellte Potentialmulden (für Elektronen) an der Stelle oder oberhalb der vergrabenen Zonen 14 und Potentialsperren zwischen den vergrabenen Zonen und jeweils unter dem linken Rand der Elektroden erhalten. In der Anordnung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet daher jedes Paar nebeneinanderliegender Elektroden 13 eine Phase. Die Elektroden sind wechselweise mit den Taktleitungen 30 und 31 verbunden, wobei die Elektroden 136, d. f, h, usw. aus polykristallinem Silizium mit der Taktleitung 30 und die Elektroden 13a, c, e, g, k usw. mit der Taktleitung 31 verbunden sind.

In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Leitfähigkeitstypen umgekehrt werden. Bei dieser Umkehr soll naturgemäß die Polarität der anzulegenden Spannungen ebenfalls umgekehrt werden.

Statt eines hochohmigen Zwischengebietes zwischen den vergrabenen Zonen und dem niederohmigen Teil des Substrats vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat kann auch ein hochohmiges Zwischengebiet vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Halbleiterschicht verwendet werden.

Statt der genannten Materialien können auch andere geeignete Materialien verwendet werden. So kann der Halbleiterkörper 1 auch aus Germanium bestehen.
Falls die Halbleiterschicht gegen angrenzende Teile der epitaktischen Schicht völlig oder teilweise mit Hälfe kapazitiv erzeugter elektrischer Felder isoliert wird, wie z. B. in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4, in dem die Isolierzonen 7 sich nur über einen Teil der Dicke der epitaktischen Schicht in der epitaktischen Schicht erstrecken, können diese angrenzenden Teile mit Vorteil mit einem elektrischen Anschluß zum Anlegen einer geeigneten Spannung und/oder zum Abführen erzeugter Ladungsträger versehen sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit einer Halbleiterschicht (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp und einem angrenzenden (nachstehend als Substrat bezeichneten) Teil (4) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der einen PN-Übergang (5) mit der Schicht bildet, wobei zur lateralen Isolierung der Schicht gegen die Umgebung Zonen (7) vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind und die Halbleiterschicht eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweist, daß mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Halbleiterschicht eine Verarmungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei Mittel (9, 10) zur örtlichen Einführung von Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehender Ladung in die Halbleiterschicht und Mittel (11, 12) zum Auslesen dieser Information anderswo in der Schicht vorgesehen sind, und wobei die Halbleiterschicht auf der dem Substrat gegenüberliegenden einen Seite mit einem Elektrodensystem

(13) zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht versehen ist, mit deren Hilfe die Ladung durch das Innere der Halbleiterschicht in einer ihr parallelen Richtung zu den Auslesemitteln Auslesemittel transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht mit einer vergrabenen Zone (14) vom ersten Leitfähigkeitstyp versehen ist, die an den PN-Übergang zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht grenzt, sich von dem PN-Übergang her nur über einen Teil der Dicke der Schicht (3) in der Halbleiterschicht erstreckt und eine höhere Dotierungskonzentration als ein angrenzender Teil (15) der Halbleiterschicht aufweist, der zwischen der vergrabenen Zone und der einen Seite (2) liegt.

2. Ladungsgekoppeites Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der vergrabenen Zone

(14) mindestens gleich etwa dem Hundertfachen der Dotierungskonzentration des angrenzenden niedrigdotierten Teiles (15) der Halbleiterschicht ist, der zwischen der vergrabenen Zone und der einen Seite liegt.

3. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) vom zweiten Leitfähigkeitstyp wenigstens einen an den PN-Übergang zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht grenzenden Teil enthält, dessen Dotierungskonzentration mindestens gleich dem Zehnfachen und vorzugsweise dem Hundertfachen der Dotierungskonzentration des genannten an die vergrabene Zone grenzenden Teiles der Halbleiterschicht ist.

4. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte hochdotierte Teil des Substrats und die hochdotierte zu der Halbleiterschicht gehörige vergrabene Zone voneinander durch ein zwischenliegendes Halbleitergebiet (22) mit einer niedrigen Dotierungskonzentration getrennt sind.

5. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der hochdotierten vergrabenen Zone (14) und dem hochdotierten Teil des Substrats praktisch gleich dem Abstand zwischen der hochdotierten vergrabenen Zone und dem Elektrodensy-

stern ist

6. Ladungsgekoppeites Halbleiterbauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zwischenliegende niedrigdotierte Halbleitergebiet (22) den gleichen Leitfähigkeitityp wie und eine niedrigere Dotierungskonzentration als der hochdotierte Teil des Substrats aufweist

7. Ladungsgekoppeites Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte vergrabene Zone (14) durch ein schichtförmiges Gebiet gebildet wird, das sich wenigstens über praktisch den ganzen PN-Übergang zwischen der Halbleiterschicht und dem Substrat erstreckt

8. Ladungsgekoppeites Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte vergrabene Zone und der angrenzende niedrigdotierte Teil der Halbleiterschicht epitaktisch aufeinander aufgewachsene Schichten vom gleichen Leitfähigkeitstyp, aber mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen sind.

9. Ladungsgekoppeites Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht mit einer Anzahl in einiger Entfernung voneinander liegender vergrabener Zonen (14a, Hb usw.) vom ersten Leitfähigkeitstyp versehen ist, die an den PN-Übergang zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht grenzen, sich von dem PN-Übergang her nur über einen Teil der Dicke der Schicht in der Schicht erstrecken und eine höhere Dotierungskonzentration als ein angrenzender Teil der Halbleiterschicht aufweisen, der zwischen den vergrabenen Zonen und der einen Seite liegt.